KR100731148B1 - A performance test equipments of multi-channel fuel cell - Google Patents

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Abstract

Provided is an apparatus for evaluating the performance of a fuel cell to obtain the optimum operation environment of a fuel cell by controlling the amount and concentration of reactant gas. The apparatus comprises: ball valves(11, 21, 31), line filters(12, 22, 32) for filtering the impurities, pressure control valves(13, 23, 33) for controlling the pressure of the supplied fluid, solenoid valves(14, 24, 34) for opening/closing the channel and check valves(15, 25, 35) automatically for preventing the backward flow of fluid which are installed at a hydrogen supply pipe(10), at an air supply pipe(30) and at a purge nitrogen supply pipe(20), respectively; an electric heater(150) and a temperature sensor(110) which are installed at a fuel cell to control the power supplied to the electric heater according to the sensed temperature; an electric load(80) which is connected at the output of the fuel cell to consume the electricity generated by the fuel cell; and a controller(90) which senses the electrical characteristics of the electric load and the resistance applied to the both electrodes of the fuel cell to sense the performance of the fuel cell.

Description

연료전지의 성능 평가 장치{A performance test equipments of Multi-Channel fuel cell}A performance test equipment of multi-channel fuel cell

도 1 은 본 발명에 따른 연료전지의 성능평가 장치의 구성을 도시한 구성도이다. 1 is a block diagram showing the configuration of a performance evaluation device of a fuel cell according to the present invention.

*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명** Description of symbols on the main parts of the drawings *

10 : 수소 배관 20 : 퍼지 질소 배관10: hydrogen piping 20: purge nitrogen piping

30 : 공기 배관30: air piping

11,21,31 : 볼 밸브 12,22,32 : 라인필터 11,21,31: Ball valve 12,22,32: Line filter

13,23,33 : 압력조절밸브 14,24,34, 41, 61, 51, 52 : 솔레노이드밸브13, 23, 33: pressure regulating valve 14, 24, 34, 41, 61, 51, 52: solenoid valve

15,25,35,42,62 : 체크밸브 16 : 압력배출밸브15, 25, 35, 42, 62: check valve 16: pressure relief valve

40, 50, 60 : 질량식유량조절기 55 : 연결배관40, 50, 60: mass flow controller 55: connection piping

70 : 저항측정기 80 : 전기 부하70: resistance meter 80: electrical load

90 : 제어기 100 : 연료전지90 controller 100 fuel cell

110 : 온도감지센서 120 : 프로그램 온도조절기110: temperature sensor 120: program temperature controller

150 : 전기히터 160 : 가스 검출기150: electric heater 160: gas detector

본 발명은 연료전지의 성능평가 장치에 관한 것으로서, 특히 연료전지에 공급되는 반응 가스의 양 및 농도 등을 조절하여 최적의 효율을 얻을 수 있는 연료전지를 검출할 수 있는 연료전지의 성능평가 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus for evaluating performance of a fuel cell, and more particularly, to an apparatus for evaluating a fuel cell capable of detecting a fuel cell capable of obtaining optimum efficiency by adjusting the amount and concentration of a reaction gas supplied to a fuel cell. It is about.

연료전지는 메탄올이나 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 장치로서 기존의 연소 기관이나 충·방전형 전지와는 달리 고효율의 청정에너지 변환장치이다. A fuel cell is a power generation device that directly converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction generated by using hydrogen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol or natural gas and oxygen in air as a fuel. Unlike the discharge type battery, it is a high efficiency clean energy converter.

이러한 연료전지는 사용되는 연료의 양, 농도, 압력 등에 의해 얻어지는 전기의 양이 달라진다. Such fuel cells vary in the amount of electricity obtained by the amount, concentration, pressure, etc. of the fuel used.

이에 따라 연료전지는 최적의 조건에서 작동될 수 있게 함으로서 보다 효율적인 연료전지를 구현할 수 있게 할 수 있음에도 불구하고 연료전지의 성능을 평가할 수 있는 장치가 개발되지 못하고 있다. Accordingly, despite the fact that the fuel cell can be operated under optimum conditions and thus to implement a more efficient fuel cell, a device for evaluating the performance of the fuel cell has not been developed.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서 연료전지에 공급되는 반응물질과 촉매의 종류, 공급량, 온도, 압력 등에 따라 출력되는 전기의 양을 분석하여 이러한 변수에 따른 최적의 반응 조건을 설정할 수 있게 함으로서 보다 효율이 높은 연료전지를 얻을 수 있도록 연료전지의 성능을 평가하는 연료전지의 성능평가 장치를 제공함을 목적으로 한다. The present invention has been invented to solve the problems of the prior art as described above by analyzing the amount of electricity output according to the type of reactant and catalyst supplied to the fuel cell, the supply amount, temperature, pressure, etc. It is an object of the present invention to provide a fuel cell performance evaluation apparatus for evaluating the performance of a fuel cell so that a more efficient fuel cell can be obtained by setting reaction conditions.

상기와 같은 본 발명의 목적은 공급된 수소에 의해 전기를 발생시키는 연료 전지에 있어서, 상기 연료전지에 수소를 공급하는 수소 공급배관과 공기를 공급하는 공기배관 및 퍼지용 질소를 공급하는 퍼지 질소 배관에 각각 수동으로 제어되어 유로를 개폐하는 볼 밸브와, 불순물을 걸러주는 라인필터와, 공급되는 유체의 압력을 조절하는 압력조절밸브와, 유로를 자동으로 개폐하는 솔레노이드 밸브와, 유체의 역류를 방지하기 위한 체크밸브을 설치하고, 연료전지에는 온도감지센서를 설치하여 감지된 온도에 따라 온도조절기에 설치된 전기히터에 공급되는 전원을 제어할 수 있게 하였으며, 상기 연료전지의 출력에는 전기 부하를 연결하여 연료전지에 의해 발생되는 전기를 소모시키면서, 상기 전기 부하의 전기적 특성과 상기 연료전지의 양극에 걸리는 저항을 감지하여 연료전지의 성능을 감지하고 각 밸브 및 수단을 제어하는 제어기를 설치하여 구성됨을 특징으로 하는 연료전지의 성능 평가 장치에 의해 이루어진다. An object of the present invention as described above is a fuel cell for generating electricity by the supplied hydrogen, the hydrogen supply pipe for supplying hydrogen to the fuel cell, the air pipe for supplying air and the purge nitrogen pipe for supplying purge nitrogen Ball valves, each of which is manually controlled to open and close the flow path, a line filter to filter out impurities, a pressure regulating valve to control the pressure of the supplied fluid, a solenoid valve to automatically open and close the flow path, and prevent backflow of the fluid. In order to control the power supplied to the electric heater installed in the thermostat according to the sensed temperature by installing a temperature sensing sensor in the fuel cell, the output of the fuel cell is connected to the electrical load of the fuel While consuming electricity generated by the battery, the electrical characteristics of the electrical load and the anode of the fuel cell The sensing is performed by a fuel cell performance evaluation apparatus, which is configured by detecting a resistance, detecting a performance of the fuel cell, and installing a controller for controlling each valve and means.

이하, 본 발명에 따른 연료전지의 성능평가 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a performance evaluation apparatus of a fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지의 성능평가 장치는 연료전 지(100)에 연료가 되는 수소를 공급하기 위한 수소 배관(10)과 공기를 공급하기 위한 공기 배관(30)을 포함하는 배관을 구비하고 있다. As shown in the drawing, the performance evaluation apparatus for a fuel cell includes a hydrogen pipe 10 for supplying hydrogen as fuel to the fuel cell 100 and an air pipe 30 for supplying air. Equipped with.

상기 수소 배관(10)은 수소 탱크에 연결되어 있으며, 연료전지(100)의 애노드(anode)측으로 수소 가스를 공급한다. The hydrogen pipe 10 is connected to a hydrogen tank, and supplies hydrogen gas to the anode side of the fuel cell 100.

상기 수소 배관(10)은 유로를 개폐하는 수단으로 볼밸브(11), 압력조절밸브(13), 솔레노이드밸브(14) 및 체크밸브(15)가 구비되어 있다.The hydrogen pipe 10 is provided with a ball valve 11, a pressure control valve 13, a solenoid valve 14 and a check valve 15 as a means for opening and closing the flow path.

또한, 상기 수소 배관(10)에는 유체로부터 불순물을 제거하기 위한 수단으로 라인필터(12)가 구비되어 있다. In addition, the hydrogen pipe 10 is provided with a line filter 12 as a means for removing impurities from the fluid.

상기 볼밸브(11)는 수동으로 조작되는 밸브로서 본 발명의 성능 평가 장치를 구동시킬 때에는 수동으로 개방되며, 상기 압력조절밸브(13)는 성능 평가 장치가 구동되는 동안 후술하는 제어기(90)에 의해 제어되어 배관의 내부에 흐르는 각 유체의 유압을 제어하는 역할을 한다. The ball valve 11 is a manually operated valve and is manually opened when driving the performance evaluation apparatus of the present invention, and the pressure regulating valve 13 is connected to a controller 90 to be described later while the performance evaluation apparatus is being driven. It controls by the hydraulic pressure of each fluid flowing in the interior of the pipe.

상기 솔레노이드밸브(14)는 상기 압력조절밸브(13)에 의해 압력이 조절된 상태로 연료전지(100)측으로 공급되는 유체의 흐름을 단속하기 위한 수단으로 상기한 압력조절밸브(13)와 같이 제어기(90)에 의해 제어되어 개폐된다. The solenoid valve 14 is a controller for controlling the flow of the fluid supplied to the fuel cell 100 in a state where the pressure is controlled by the pressure regulating valve 13, such as the pressure regulating valve 13. It is controlled by 90 and is opened and closed.

상기 체크 밸브(15)는 소정의 원인 즉, 연료전지(100)의 작동 중지 등의 여타의 원인에 의해 배관의 유체 흐름이 정지되었을 때 배관내의 유체가 각각의 저장탱크로 역류하는 것을 차단하기 위한 밸브이다. The check valve 15 is for preventing the fluid in the pipe from flowing back to the respective storage tanks when the fluid flow in the pipe is stopped due to a predetermined cause, that is, other causes such as the operation of the fuel cell 100 stopped. Valve.

또한, 상기 수소 배관(10)에는 압력배출밸브(16)이 더 설치되어 배관의 내부에 지나친 압력이 가해지면 자동으로 배출시킬 수 있게 하였다. In addition, the hydrogen pipe 10 is further provided with a pressure discharge valve 16 to be automatically discharged when excessive pressure is applied to the inside of the pipe.

상기 수소 배관(10)의 반대측 즉 연료전지(100)의 캐소드(cathode)측에는 공기 배관(30)이 연결되어 있다. An air pipe 30 is connected to the opposite side of the hydrogen pipe 10, that is, to the cathode side of the fuel cell 100.

상기 공기배관(30) 또한 상기한 수소 배관(10)과 같이 다수의 밸브들(31, 33, 34, 35)과 라인필터(32)를 구비하고 있으며, 그 작용 또한 상시 수소 배관(10)에 구성된 것과 동일한 역할을 하는 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. The air pipe 30 is also provided with a plurality of valves 31, 33, 34, 35 and the line filter 32, like the above-described hydrogen pipe 10, the function is also always in the hydrogen pipe (10) The same role as the configured and the detailed description thereof will be omitted.

상기 두 배관(10, 30) 즉, 수소 배관(10)과 공기 배관(30) 사이에는 연결 배관(55)이 설치되어 있으며, 상기 연결배관(55)은 체크밸브(15, 35)와 연료전지(100) 사이에 연결되어 있으며, 이 연결배관(55)의 중단에는 퍼지 질소 배관(20)이 연결되어 있다. A connection pipe 55 is installed between the two pipes 10 and 30, that is, the hydrogen pipe 10 and the air pipe 30, and the connection pipe 55 includes the check valves 15 and 35 and the fuel cell. It is connected between the (100), the purge nitrogen pipe 20 is connected to the interruption of the connection pipe (55).

상기 퍼지 질소 배관(20)은 연료전지(100)가 작동을 하지 않은 상태에서 연료전지의 내부에 수소가 잔류하거나 수분이 잔류하는 것을 방지하기 위해 배관과 연료전지(100)의 내부를 퍼지(purge)시키기 위한 배관으로 이러한 퍼지는 수소 배관(10)과 공기 배관(30)이 모두 이루어져야 함으로 수소 배관(10)과 공기 배관(30) 사이에 병렬로 연결되어 양 측에 모두 퍼지용 질소를 공급할 수 있게 하였으며, 이 배관에도 상기한 수소배관이나 공기배관과 같이 다수의 밸브들(21~25)과 라인필터(22)가 설치되어 있다. The purge nitrogen pipe 20 purges the pipes and the inside of the fuel cell 100 to prevent hydrogen or water from remaining inside the fuel cell while the fuel cell 100 is not operated. This purge should be made of both the hydrogen pipe (10) and the air pipe (30) to be connected in parallel between the hydrogen pipe (10) and the air pipe (30) to supply nitrogen for purging both sides. In this pipe, a plurality of valves 21 to 25 and a line filter 22 are installed like the hydrogen pipe or the air pipe.

또한 상기 퍼지 질소 배관(20)과 수소 배관 및 공기 배관(30) 사이에는 또 다른 솔레노이드밸브(51, 52)가 설치되어 있어 퍼지 질소 배관(20)을 통해 각각의 배관들(10, 30)로 공급되는 퍼지 질소의 흐름을 단속할 수 있게 하였다. In addition, another solenoid valve 51 and 52 is installed between the purge nitrogen pipe 20 and the hydrogen pipe and the air pipe 30 to the respective pipes 10 and 30 through the purge nitrogen pipe 20. It was possible to interrupt the flow of purge nitrogen supplied.

또한 상기 수소 배관(10)에 설치된 압력배출밸브(16)와 연료전지 사이 및 연 료전지(100)와 공기 배관(30)의 체크밸브(35) 사이에는 질량식 유량 조절기(Mass Flow Controller)(40, 60)가 설치되어 있다. In addition, a mass flow controller 40 is installed between the pressure discharge valve 16 installed in the hydrogen pipe 10 and the fuel cell, and between the fuel cell 100 and the check valve 35 of the air pipe 30. , 60) are installed.

상기 질량식 유량 조절기(40, 60)는 배관들(10, 30)의 내부에 흐르는 유체의 유량을 감지하기 위한 수단으로서 감지된 유속은 후술하는 제어기(90)로 전달되어 하나의 데이터로 저장된다. The mass flow controllers 40 and 60 are means for detecting the flow rate of the fluid flowing in the pipes 10 and 30 and the sensed flow rate is transferred to the controller 90 to be described later and stored as one data.

상기 연결배관(55)에도 질량식 유량 조절기(50)를 설치하여 연결배관을 따라 공급되는 퍼지 질소의 유량을 감지할 수 있다. The mass flow controller 50 may also be installed in the connection pipe 55 to detect the flow rate of the purge nitrogen supplied along the connection pipe.

상기 연료전지(100)는 상기한 바와 같이 애노드와 캐소드 전극을 구비하고 있으며, 이들 전극 사이에는 초기에 수소의 활성화를 위한 온도제어를 위해 온도조절기(120)가 설치되어 있다. The fuel cell 100 includes an anode and a cathode as described above, and a temperature controller 120 is initially installed between the electrodes for temperature control for activation of hydrogen.

상기 온도조절기(120)는 그 일측에 설치된 온도감지센서(110)에 의해 감지된 온도에 따라 제어기(90)에 의해 제어되며, 온도조절기(120)의 온도제어는 온도조절기에 연결된 전기히터(150)에 공급되는 전기를 제어함으로서 이루어진다.The temperature controller 120 is controlled by the controller 90 according to the temperature detected by the temperature sensor 110 installed on one side, the temperature control of the temperature controller 120 is an electric heater 150 connected to the temperature controller By controlling the electricity supplied to the

상기 연료전지(100)의 양 전극에는 전기부하(80)가 걸려 있다. An electrical load 80 is applied to both electrodes of the fuel cell 100.

상기 전기부하(80)는 연료전지(100)의 구동에 의해 발생되는 전기를 소모함으로서 연료전지(100)의 수명이나 시간당 전기 발생량 등을 감지할 수 있게 하며, 이 전기부하(80)의 전기적 특성은 제어기(90)에 전달되어 연료전지(100)이 성능을 확인하는 데이터가 된다. The electric load 80 consumes electricity generated by driving the fuel cell 100 to detect the life of the fuel cell 100 or the amount of electricity generated per hour, and the electrical characteristics of the electric load 80. Is transmitted to the controller 90 to become data confirming the performance of the fuel cell 100.

또한 상기 연료전지(100)의 양극에는 저항 감지기(70)를 설치하여 연료전지(100)의 양극에 걸리는 저항을 측정할 수 있게 하였다. In addition, the resistance sensor 70 is installed at the anode of the fuel cell 100 to measure the resistance applied to the anode of the fuel cell 100.

상기한 제어기(90)는 상기에서 기술한 바와 같이 각 밸브와 구성 요소의 제어와 감지된 신호로부터 연료전지의 특성을 산출하는 수단으로서 마이크로프로세서나 컴퓨터 등으로 구성되며, 개발한 프로그램에 의해 자동 및 수동으로 제어하며 유량 및 Loader에서 측정되는 값을 Data File로 저장, 분석 활용한다. 이러한 특성 산출과 관련된 세부적인 기술은 이미 알려진 기술로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. As described above, the controller 90 is composed of a microprocessor, a computer, etc. as a means for calculating the characteristics of the fuel cell from the control signals and the sensed signals of the valves and the components as described above. It is controlled manually and the flow rate and the value measured from the loader are saved and analyzed as a data file. The detailed description related to the calculation of such a property is known and a detailed description thereof will be omitted.

또한 본 발명에 따른 연료전지의 성능평가 장치에는 수소나 질소의 누출을 감지하기 위한 가스검출기(160)를 구비하여 이들의 누출에 따른 부작용을 미연에 방지할 수 있게 하였다. In addition, the apparatus for evaluating the performance of a fuel cell according to the present invention includes a gas detector 160 for detecting a leak of hydrogen or nitrogen, thereby preventing side effects due to the leak.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료전지의 성능평가 장치는 다양한 조건을 부여하여 이때의 연료전지의 성능을 평가 / 분석하여 우수한 성능의 연료전지를 개발 및 제품의 품질관리에 있어 효율을 향상 시킬 수 있는 효과가 있다.The apparatus for evaluating the performance of a fuel cell according to the present invention configured as described above may give various conditions to evaluate / analyze the performance of the fuel cell at this time to develop a fuel cell having excellent performance and to improve efficiency in product quality control. It has an effect.

Claims (5)

공급된 수소에 의해 전기를 발생시키는 연료 전지에 있어서, In a fuel cell that generates electricity by supplied hydrogen, 상기 연료전지에 수소를 공급하는 수소 공급배관과 공기를 공급하는 공기배관 및 퍼지용 질소를 공급하는 퍼지 질소 배관에 각각 수동으로 제어되어 유로를 개폐하는 볼 밸브와, 불순물을 걸러주는 라인필터와, 공급되는 유체의 압력을 조절하는 압력조절밸브와, 유로를 자동으로 개폐하는 솔레노이드 밸브와, 유체의 역류를 방지하기 위한 체크밸브을 설치하고, A ball valve for manually opening / closing a flow path and a filter for filtering impurities to a hydrogen supply pipe for supplying hydrogen to the fuel cell, an air pipe for supplying air, and a purge nitrogen pipe for supplying nitrogen for purge, and a line filter for filtering impurities; A pressure regulating valve for regulating the pressure of the supplied fluid, a solenoid valve for automatically opening and closing the flow path, and a check valve for preventing backflow of the fluid, 연료전지에는 전기히터와 온도감지센서를 설치하여 감지된 온도에 따라 상기 전기히터에 공급되는 전원을 단속할 수 있게 하였으며, 상기 연료전지의 출력에는 전기 부하를 연결하여 연료전지에 의해 발생되는 전기를 소모시킬 수 있게 하였으며, 상기 전기 부하의 전기적 특성과 상기 연료전지의 양극에 걸리는 저항을 감지하여 연료전지의 성능을 감지하고 각 밸브 및 수단을 제어하는 제어기를 설치하여 구성됨을 특징으로 하는 연료전지의 성능 평가 장치.An electric heater and a temperature sensor are installed in the fuel cell to interrupt the power supplied to the electric heater according to the sensed temperature. The output of the fuel cell connects an electric load to the electricity generated by the fuel cell. It is possible to consume, and by detecting the electrical characteristics of the electrical load and the resistance of the anode of the fuel cell to detect the performance of the fuel cell and to install a controller for controlling each valve and means of the fuel cell Performance evaluation device. 제 1항에 있어서, 상기 수소 배관에는 공기 배관 사이에는 연결 배관이 더 설치되고, 상기 연결배관의 중단에는 상기 퍼지 질소 배관이 병렬로 연결되며, 상기 수소 배관과 공기 배관 및 연결 배관에는 각각 유속을 감지하기 위한 질량식 유량 조절기(MFC)가 더 설치됨을 하는 연료전지의 성능 평가 장치.The hydrogen pipe of claim 1, wherein a connection pipe is further installed between the air pipes, and the purge nitrogen pipe is connected in parallel to the interruption of the pipe, and the hydrogen pipes, the air pipes, and the pipes respectively have flow rates. Apparatus for evaluating the performance of a fuel cell in which a mass flow controller (MFC) for sensing is further installed. 제 1 항에 있어서, 상기 연료전지의 양극에는 저항측정기가 더 설치되고 상기 저항 측정기에서 측정된 저항값은 데이터 수집장치로 전달됨을 특징으로 하는 연료전지의 성능 평가 장치.The apparatus of claim 1, wherein a resistance meter is further installed at the anode of the fuel cell, and the resistance value measured by the resistance meter is transmitted to a data collection device. 제 2 항에 있어서, 상기 공기 배관과 수소 배관 사이에 연결된 연결배관의 퍼지 질소 배관과 상기 각각의 배관들 사이에는 유체의 흐름을 단속하는 솔레노이드밸브가 더 설치됨을 특징으로 하는 연료전지의 성능 평가 장치.The fuel cell performance evaluation apparatus according to claim 2, further comprising a solenoid valve for controlling the flow of fluid between the purge nitrogen pipe of the connection pipe connected between the air pipe and the hydrogen pipe and the respective pipes. . 제 1 항에 있어서, 상기 제어기는 PC를 기반으로 하고, 원격자동제어 및 관련 데이터의 저장과 활용, 연결된 부하 수단 및 저항측정기에서 정전압, 정전위, 정전력, 측정 및 기록함을 특징으로 하는 연료전지의 성능평가 장치.2. A fuel cell according to claim 1, wherein the controller is based on a PC and stores and utilizes remote automatic control and related data, constant voltage, potential, constant power, measurement and recording at connected load means and resistance meter. Performance evaluation device.
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